中美聯(lián)手打破限制諧振器設計的"時間帶寬極限"

電子發(fā)燒友早八點訊：中美學者日前聯(lián)合在著名期刊《科學》上發(fā)表了一篇論文，打破了限制諧振器設計的"時間帶寬極限"，被國外媒體稱為"解決了一個百年物理難題"。論文共同作者之一、浙江大學光電學院現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室鄭曉東研究員告訴記者，本研究將對新型器件和系統(tǒng)的發(fā)展起到深遠作用。論文共同第一作者、南昌大學沈林放教授此前亦曾在浙大現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室工作。

諧振器件與系統(tǒng)在現(xiàn)代社會的各行各業(yè)得到廣泛應用，如激光諧振腔、各種波導等。離開諧振，計算機不再計算、手機不能刷屏、電視無法顯示圖像、收音機無法收音、手表無法定時……

長期以來，諧振系統(tǒng)的設計被認為受制于一個基本極限?？茖W家在1914年就發(fā)現(xiàn)，諧振腔要么儲能時間較長，而帶寬窄;要么帶寬較大，但儲能時間短。帶寬表明數(shù)據(jù)的存儲量。"時間帶寬極限"意味著，在諧振腔內長時間存儲大數(shù)據(jù)是不可能的，“長時間”和“大數(shù)據(jù)”魚和熊掌不可兼得。

這種時間帶寬極限規(guī)律提出之后的100多年來，從來沒有被挑戰(zhàn)過。物理學家和工程師一直據(jù)此來設計和構建光學、聲學、電子諧振系統(tǒng)。從前沿的微納/慢光波導、到原子/分子結構中的振動關系、所有類型的諧振腔、晶體振蕩器等等被時間帶寬極限所限制。

受時間-帶寬限制的諸多光、電系統(tǒng)

而中美科學家本次研究打破了這一魔咒。鄭曉東用一個粗略的比喻解釋了科學家們的做法。諧振腔就像一間屋子，在門口的人通過蕩秋千進入和離開屋子。諧振腔的時間帶寬極限意味著這樣一種奇怪的規(guī)定：如果大家蕩秋千的速度一樣，那么就以這同一速度蕩進去，可以在屋子里待上比較長的一段時間，再統(tǒng)一蕩出來;如果彼此速度不同，有快有慢，那就只能在屋子里待很短的時間，一進去就得蕩出來。而科學家們提出的新方法，讓人們并排以正常速度蕩入屋內;而離開時就不再并排，而是以可控的速度依次按順序向外回蕩。也就是說，利用控制能量以不同速率進入和離開諧振腔的方法，或者說設計進、出時間非對稱的諧振系統(tǒng)，成功打破了一百多年來限制諧振器設計的"時間帶寬極限"。系統(tǒng)非對稱的程度越高，超越"極限"的程度也越高。

接下來的問題是，如何能使進入和離開諧振系統(tǒng)的能量具有可以自由調節(jié)的速率，這是實現(xiàn)非對稱系統(tǒng)設計的關鍵。論文中所使用的獨家秘笈就是南昌大學和浙江大學合作研究的磁光材料混合諧振腔/波導系統(tǒng)利用這種系統(tǒng)，就可以游刃有余地自由控制反向傳播電磁波的能量傳播速率，在太赫茲波段，傳統(tǒng)的時間—帶寬限制已經(jīng)可以提高上千倍。從理論上說，這種不對稱系統(tǒng)中根本沒有上限，帶寬不再受制于能量的存儲時間。

鄭曉東認為，諧振系統(tǒng)時間帶寬極限的突破，將會在物理和工程的眾多領域產(chǎn)生深遠影響，潛在應用前景十分廣泛，包括通信、光探測、能量采集和信息存儲等。例如，人們有可能實現(xiàn)真正的超連續(xù)譜直流激光，人類可以將很多現(xiàn)在的光源變成方向性的光源，甚至改變現(xiàn)在太陽能的儲能模式等等?？梢灶A料，在不遠的將來，據(jù)此原理的大量新型器件和系統(tǒng)將應運而生。

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